基于MQTT的小水電監(jiān)控系統(tǒng)

李志鋒，王智東，王金陽(yáng)，張紫凡，吳燦，溫永森，羅藝華

（1.廣州城市理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣州 510800； 2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院智慧能源工程技術(shù)研究中心，廣州 510640； 3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512000）

引言

我國(guó)水資源豐富，尤其在偏遠(yuǎn)山區(qū)，存在大量的小水電站。作為分布式新能源的重要組成部分，小水電有力支撐了地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展，助力“碳中和”，但由于目前小水電整體還處于“粗放式”運(yùn)行狀況，當(dāng)大量的小水電站接入后會(huì)對(duì)中壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及供電可靠性產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)而影響到配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)前小水電多基于本地信息進(jìn)行監(jiān)控，本質(zhì)上是“信息孤島”狀態(tài)，缺少多個(gè)小水電的“機(jī)機(jī)”協(xié)同調(diào)制和小水電與電網(wǎng)間的“機(jī)網(wǎng)”協(xié)同配合。由于小水電多處于偏遠(yuǎn)山區(qū)，如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)小水電以及主電網(wǎng)間的高效信息交互，是提高小水電運(yùn)行監(jiān)控能力的關(guān)鍵。

本論文構(gòu)建基于MQTT的小水電監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用MQTT協(xié)議的高效性，實(shí)現(xiàn)小水電信息在多個(gè)小水電和電網(wǎng)間有效傳遞，避免小水電信息“孤島”問(wèn)題，提高小水電監(jiān)控能力，從而提高小水電的電能質(zhì)量[1-5]。

1 MQTT協(xié)議分析

電力物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，是信息通信技術(shù)發(fā)展的階段性必然結(jié)果。電力物聯(lián)網(wǎng)有效整合了通信基礎(chǔ)設(shè)施資源與電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源，提高了電力系統(tǒng)的信息化水平，改善了電力系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)施利用率，為電網(wǎng)提供了重要的技術(shù)支撐。而在信息通信技術(shù)發(fā)展中，與之相適應(yīng)的通訊協(xié)議也尤為重要，本文重點(diǎn)介紹了MQTT、XMPP、Socket三種，并詳細(xì)了對(duì)比分析了它們的優(yōu)勢(shì)與不足之處。

MQTT 最初由 IBM 于上世紀(jì) 90 年代晚期發(fā)明和開發(fā)。它最初的用途是將石油管道上的傳感器與衛(wèi)星相鏈接。顧名思義，它是一種支持在各方之間異步通信的消息協(xié)議。異步消息協(xié)議在空間和時(shí)間上將消息發(fā)送者與接收者分離，因此可以在不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)展。雖然叫做消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸，但它與消息隊(duì)列毫無(wú)關(guān)系，而是使用了一個(gè)發(fā)布和訂閱的模型。在 2014 年末，它正式成為了一種 OASIS 開放標(biāo)準(zhǔn)，而且在一些流行的編程語(yǔ)言中受到支持（通過(guò)使用多種開源實(shí)現(xiàn)）。

MQTT協(xié)議是輕量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，適用于低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)下提供基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控?？梢栽趪?yán)重受限的設(shè)備硬件和高延遲及寬帶有限的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。并且相對(duì)靈活，使為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景提供支持成為可能。它的優(yōu)勢(shì)在：第一，使用發(fā)布/訂閱模型，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，使消息發(fā)送者和接受者在時(shí)間和空間上解耦。第二，是二進(jìn)制協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷很小。第三，它具有靈活訂閱、QoS、遺愿消息（Will Message）等特性。缺點(diǎn)是：第一，集中化部署，服務(wù)端的壓力大，需要流程控制及高可用。第二，對(duì)于請(qǐng)求/響應(yīng)模式的支持需要在應(yīng)用層根據(jù)消息ID做發(fā)布主題和訂閱主題之間的關(guān)聯(lián)。MQTT的工作模式如圖1所示。

圖1 MQTT工作模式圖

XMPP協(xié)議（可擴(kuò)展通訊與表示協(xié)議）是一種基于標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的子集XML的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性。因此，基于XMPP的應(yīng)用具有超強(qiáng)的可擴(kuò)展性。經(jīng)過(guò)擴(kuò)展以后的XMPP可以通過(guò)發(fā)送擴(kuò)展的信息來(lái)處理用戶的需求，以及在XMPP的頂端建立如內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)和基于地址的服務(wù)等應(yīng)用程序。而且，XMPP包含了針對(duì)服務(wù)器端的軟件協(xié)議，使之能與另一個(gè)進(jìn)行通話，這使得開發(fā)者更容易建立客戶應(yīng)用程序或給一個(gè)已經(jīng)配置好XMPP協(xié)議的系統(tǒng)添加功能。它的優(yōu)點(diǎn)是已經(jīng)發(fā)展成熟，強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，缺點(diǎn)是比較復(fù)雜，冗長(zhǎng)，費(fèi)電費(fèi)流量，部署的硬件成本高。

表1給出MQTT與XMPP的具體方面比較分析。

表1 MQTT與XMPP比較

Socket是應(yīng)用層與TcP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設(shè)計(jì)模式中，Socket其實(shí)就是一個(gè)門面模式，它把復(fù)雜的TcP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，一組簡(jiǎn)單的接口就是全部，讓Socket去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議。表2給出了MQTT與Socket的區(qū)別比較。

表2 MQTT與Socket的區(qū)別比較

比較了三種協(xié)議，可知MQTT與電力物聯(lián)網(wǎng)最相適應(yīng)的地方在于它可以用有限的帶寬，為設(shè)備提供可靠實(shí)時(shí)的消息服務(wù)。正因如此，我們采用該協(xié)議用于小水電監(jiān)控系統(tǒng)中，契合該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其最大效益[6,7]。

2 基于MQTT協(xié)議的小水電監(jiān)控系統(tǒng)

小水電站屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)電模式，對(duì)經(jīng)濟(jì)成本敏感，監(jiān)控智能電子設(shè)備多采用性能較低的嵌入式設(shè)備，不適合復(fù)雜的通信模式和大規(guī)模的軟件需求。而MQTT協(xié)議具有輕量級(jí)、實(shí)現(xiàn)成本低的優(yōu)勢(shì)，適用于小水電監(jiān)控系統(tǒng)。

基于MQTT協(xié)議下的小水電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為圖2所示。在主網(wǎng)向負(fù)載輸送電能中，若干小水電與電網(wǎng)相連接進(jìn)行配電。而每個(gè)小水電所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與信息會(huì)被智能電子測(cè)控裝置收集匯總，再加以利用MQTT協(xié)議的高效簡(jiǎn)潔性，通過(guò)GPRS（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）/4G/5G等通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸至小水電監(jiān)控系統(tǒng)中，以達(dá)到管控設(shè)備狀態(tài)、采集水電站工作信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

圖2 小水電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 小水電監(jiān)控系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

在小水電監(jiān)控系統(tǒng)中，本文為解決小水電站存在的信息“孤島”問(wèn)題，加強(qiáng)其與智能電網(wǎng)的信息交互和協(xié)同調(diào)度，考慮現(xiàn)有小水電控制器很多采用RS485方式，在小水電站上增設(shè)小水電智能網(wǎng)關(guān)，不僅可以實(shí)現(xiàn)小水電控制器所傳送的信息匯總和上傳到遠(yuǎn)端的云平臺(tái)，還可以接入小水電微網(wǎng)控制器、智能并網(wǎng)開關(guān)等其他電力智能電子設(shè)備的信息，如圖3所示。

圖3 小水電監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖

同一小水電站內(nèi)的多個(gè)小水電，可由各自的小水電控制器進(jìn)行信息采集和控制。多個(gè)小水電控制器通過(guò)RS485總線的通信方式，與小水電智能網(wǎng)關(guān)相連接，實(shí)現(xiàn)小水電站內(nèi)多個(gè)小水電信息的匯總和上傳。小水電控制器和智能網(wǎng)關(guān)采用當(dāng)前小水電較為常見(jiàn)的RS485總線方式，RS485總線較好的抗共模干擾能力，并且靈敏性高，RS485總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，支持多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信、實(shí)現(xiàn)方便。

小水電控制器和小水電智能網(wǎng)關(guān)采用101通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。101協(xié)議規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)中主站和子站之間以問(wèn)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?、鏈路層的傳輸?guī)則、服務(wù)原語(yǔ)、應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用數(shù)據(jù)編碼、應(yīng)用功能和報(bào)文格式等[8]。

小水電智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)101協(xié)議匯總站內(nèi)所有小水電的信息后，再由網(wǎng)關(guān)來(lái)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將信息數(shù)據(jù)傳入遠(yuǎn)端的小水電監(jiān)控云平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)小水電運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)甚至操作控制，有助于減少偏僻小水電的值守人員數(shù)量甚至實(shí)現(xiàn)小水電的無(wú)人值守。

4 應(yīng)用

本文所述的小水電監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用于韶關(guān)小水電站中，小水電智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端的調(diào)度中心，如圖4所示[9]。

圖4 小水電監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)文傳輸圖

其中，MQTT協(xié)議傳輸?shù)牟糠中∷娍傠娏俊⒂泄?、無(wú)功、電流大小和電壓大小等運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)容如下所述：

{“type”:”real”,”sn”:”IEOMS_6”,”time”:”2020-08-04 15:37:34”,”data”:{“c1_19”:[{“id”:”_io_status”,”desc”:”設(shè)備狀態(tài)”,”quality”:”0”,”value”:”0.000”},{“id”:”FEP”,”desc”:”有功總電量”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”U”,”-desc”:”電壓”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”I”,”desc”:”電 流”,”quality”:”1”,”valu e”:”0.000”},{“id”:”P”,”desc”:”有功功率”,”q uality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”Q”,”desc”:”無(wú)功功率”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”S”,”desc”:”視在功率”,”quality”:”1”,”valu e”:”0.000”},{“id”:”PF”,”desc”:”功率因數(shù)”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”F”,”desc”:”頻 率”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”}],”c2_14”:[{“id”:”_io_status”,”desc”:”設(shè)備狀態(tài)”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”FEP”,”desc”:”正向有功總電能”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”Ua”,”desc”:”A相 電 壓”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”Ub”,”desc”:”B相電壓”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”Uc”,”desc”:”c相電壓”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”Ia”,”desc”:”A相電流”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“id”:”Ib”,”desc”:”B相電流”,”quality”:”1”,”value”:”0.000”},{“i d”:”Ic”,”desc”:”c相電流”,”quality”:”1”,”va lue”:”0.000”},

5 總結(jié)

伴隨著我國(guó)智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，小水電監(jiān)控系統(tǒng)自然而然需要往自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。本文基于MQTT協(xié)議的小水電監(jiān)控系統(tǒng)，也是順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)并更新與加強(qiáng)小水電在電網(wǎng)中的信息交互，緩解甚至避免分布偏遠(yuǎn)地區(qū)水電站的信息“孤島”問(wèn)題，為較好整合水利資源、推動(dòng)能源發(fā)展、提高水電站監(jiān)控水平提供新的方式與技術(shù)。